Цифровая система управления энергоэффективной облучательной установки для гидропоники

Введение. Повышение эффективности сельского хозяйства возможно при широком использовании цифровых автоматизированных систем с элементами искусственного интеллекта, позволяющих создавать и поддерживать наилучшие условия для жизни и развития растений и животных [1, 5, 7]. Цифровые технологии позволяют повысить урожайность, качество продукции, продуктивность, облегчить труд и исключить ошибки, вызванные «человеческим фактором», так как эти передовые технологии освобождают человека в операциях контроля и управления параметрами различных производственных процессов [8, 10, 11]. Грамотная эксплуатация современных цифровых автоматизированных систем, главным звеном которых является программируемый логический микроконтроллер, невозможна без знаний устройства, принципа действия и возможностей применения как технических средств автоматики, так и цифровых систем автоматического регулирования.

Одним из приоритетных направлений в развитии аграрной сферы является внедрение технологических процессов, повышающих скорость роста, количества и к ачест ва 29

сельскохозяйственных культур, к которому относится гидропонный способ выращивания [12, 13, 14]. Использование этой технологии способствует повышению рентабельности производства.

Целью работы является разработка цифровой системы управления энергоэффективной облучательной установки для гидропоники.

На сегодняшний день существует большое разнообразие гидропонных систем, однако все они являются или разновидностью, или комбинацией шести основных типов:

• 1.    фитильная система (рисунок 1, а);

• 2.    система глубоководных культур (рисунок 1, б);

• 3.    система периодического затопления (рисунок 2, а);

• 4.    аэро-гидропоника (рисунок 2, б);

• 5.    система капельного полива (рисунок 3, а);

• 6.    технология питательного слоя (рисунок 3, б).

\

Плавучая платформа с растениями

Воздухопровод

Воздушный камень

Воздушный насос

• а) б)

Рисунок 1 - Простейшая фитильная гидропонная система (а) и система глубоководных культур (б)

В фитильной системе за счет действия капиллярных сил питательный раствор доставляется к корням растения, постепенно впитываясь из гравия, щебеня или керамзита (рисунок 1, а). В этих системах происходит автоматическая подача воды к растению, но эти фитильная система подходит только для выращивания декоративных растений, которые растут очень медленно и не требуют большого внимания.

Система глубоководных культур состоит из бака и устройства для аэрации воды (рисунок 1, б). При этом корни растений обычно максимально заполняют свободное пространство, и растения растут намного быстрее, чем в почве. Пенопластовые плоты с рассадой плавают в прямоугольных бассейнах, наполненных питательным раствором. Один и тот же раствор используют весь сезон, добавляя воду и удобрения для баланса. Этот процесс: непрерывный, так как на одном конце бассейна снимают урожай, затем передвигают остальные плоты для того, чтобы высадить новую рассаду.

а)                                                   б)

Рисунок 2 - Система периодического затопления (а) и аэро-гидропоника (б)

Система периодического затопления (рисунок 2, а) хорошо обогащает кислородом корневую зону с помощью электрического компрессора. Гравий, щебень, керамзит затопляется питательным раствором, который затем самотеком стекает обратно в бак. Движение воды, проветривает корневую зону от газов и приносит свежий воздух.

Аэро-гидропоника – это самый современный гидропонный метод (рисунок 2, б), в которой влажный воздух, насыщенный водяными парами и кислородом, распыляется в корневой зоне растений. Этот метод в основном применяется при температуре питательного раствора выше 30 °C, то есть в странах с жарким климатом.

насос

а) б)

Рисунок 3 - Система капельного полива (а) и технология питательного слоя (б)

Система капельного полива (рисунок 3, а) состоит из бака с питательным раствором, который с помощью электрического насоса подается по трубкам каждому растению. Системы капельного полива применяют в тепличном производстве, так как она позволяет с небольшими финансовыми затратами автоматизировать процесс выращивания растений, которые растут на минеральной вате. Но при холодном климате России раствор поглощается медленно, и корни останутся без свежего воздуха, что может привести к образованию корневой гнили.

Самым распространенным способом выращивания скороспелых культур, салатов, ягод и кулинарной зелени является технология питательного слоя (рисунок 3, б), в котором с помощью электрического насоса потальный раствор постоянно циркулирует тонким слоем, обеспечивая большую площадь соприкосновения воздуха с водой.

Материалы и методы. Структурная схема гидропонной системы с цифровой системой управления энергоэффективной светодиодной облучательной установкой приведена на рисунке 4.

Для контроля качества раствора и правильного питания растений необходимо проводить мониторинг в режиме on-line следующих трех параметров: 1) кислотности среды по уровню pH; 2) электропроводности раствора; 3) температуры. Все эти три основные параметра контролируются цифровыми электронными датчиками.

Для гидропоники pH колеблется от 5,5 до 6,5 в зависимости от растения и понижается специальными добавками для того, чтобы питательные элементы раствора усваивались растениями. Для сравнения pH чистой воды колеблется от 5,5 до 8,5. Требуемая электропроводность зависит от стадии роста растения: и обычно для черенков изменяется от 0,2 мС/см, на финальной стадии она максимальна 2,6 мC/см. При превышении электропроводности нормы у растений начинает сохнуть листва. В этом случае питательный раствор заменяют на чистую воду. Лучшая для роста температура в диапазоне от 18 до 22 °C.

Wi-Fi модуль передает показания в локальную сеть для того, чтобы прочитать их с любого смартфона, что снижает финансовые затраты на оборудование и позволяет мониторить параметры среды удаленно.

Сеть 220 В

^Блок питания

Рисунок 4 - Структурная схема гидропонной системы с цифровой системой управления энергоэффективной светодиодной облучательной установкой

Цифровая система управления энергоэффективной облучательной установки для гидропоники должна коммутировать (включать и отключать) облучательные установки и обеспечить необходимый только для выращиваемой культуры спектр излучения, так как эти параметрами управляют продуктивность растений [2, 3, 9]. Например, длительностью фотопериода (светового дня) можно управлять стадиями роста растения: у растений длинного дня (фотопериод 16 час) можно регулировать вегетативную стадию и время цветения; у растений короткого дня (фотопериод 12 час) при увеличении светового дня возможно нарушение времени цветения.

Управлять продуктивностью растений можно спектром излучения. Многим выращиваемым культурам, например, овощам, требуется определенный процент белого света, имитирующего дневное освещение [6, 15].

Очень нужными для растений является излучение диапазона 620-595 нм (оранжевый цвет) и 720-600 нм (красный цвет), которые обеспечивают процесс фотосинтеза и «отвечают» за процессы, влияющие на скорость развития растения. Например, пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений. В фотосинтезе также участвуют синие, фиолетовые лучи (490-380 нм), которые стимулируют образование белков и регулируют скорость роста растения: растения короткого дня быстрее зацветают именно под воздействием этих лучей. Излучение с длиной волны 315-380 нм не позволяет растению «вытягиваться» и отвечают за синтез ряда витаминов. В то же время ультрафиолетовые лучи, Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 280-315 нм повышает холодостойкость растений. Для выращивания рассады лучше всего подходят светильники со спектром, в котором преобладают красный, оранжевый, зеленый и синий цвета. Такая цветовая гамма активизирует фотосинтез, дает достаточно энергии для быстрого прорастания и эффективного развития.

Обоснование цифрового микроконтроллера для управления облучательной установкой сделано на основании проведенного анализа существующих микроконтроллеров [4. 6, 12]. Мы предлагаем использовать для поставленных задач микроконтроллер ATmega8L-8PU стоимостью 360-720 руб. Низкая тактовая частота работы в 8 МГц не является ограничивающим фактором для задачи управления спектр и фотопериода. Выбранный цифровой микроконтроллер в 1,5 раза дешевле, чем ATmega8-16PU с таутовой частотой 16 МГц и в 2 раза дешевле, чем ATmega88-20PU с таким же объемом памяти, но частотой 20 МГц. В микроконтроллерах AVR частоту задают внутренней или внешней цепью. Работа микроконтроллера AVR на частоте выше 8 МГц обеспечивается только внешним кварцевым резонатором. Для задач контроля показаний датчиков и управления реле возможно применение внутренней частотозадающей цепи, что уменьшает число элементов в принципиальной схеме устройства.

Результаты и обсуждения. На основе анализа специальной литературы и практических исследований нами был сымитирован спектр излучения, состоящий из 25% синего излучения; 50% красного излучения и 25% зеленые излучения. В настоящее время целесообразно использовать энергоэффективные светодиодные источники излучения за счет возможности выбора спектрального диапазона; наличия регулировки яркости светового потока; благодаря нагреву не выше 40 ⁰ С даже у мощных устройств; безопасному напряжению питания 12/24/36 В; высокой светоотдаче; высокому сроку службы (около 50 тыс. часов).

В качестве источника излучения мы использовали ленты с RGB-светодиодами

(рисунок 5), позволяющие имитировать любой спектр излучения.

Рисунок 5 - Светодиодные ленты RGB

RBG-светодиод - это в одном корпусе три светодиода разных цветов (Red - красный, Green – зелёный, Blue – синий). Для исключения лишних выводов все аноды или катоды светодиодов объединяются и получается 4 контакта: R, G, B и общий, который может быть как «минус» - катод (Common Cathode) или, как и «плюс» - анод (Common Anode). RGB светодиодные ленты устроены аналогично одноцветным лентам и RGB светодиодам: в 12 Вольтовой ленте светодиоды каждого цвета соединяются по три штуки с токоограничивающим резистором и образуют сегмент ленты, далее эти сегменты подключаются параллельно.

Цифровая система управления энергоэффективной светодиодной облучательной установкой для гидропоники позволяют снизить затраты на потребление электроэнергии в 2,7 раз по сравнению с традиционными лампами ДНаТ, а также за счет увеличения количества ярусов у одной установки повысить высевную площадь 1,6 раз.

При использовании светодиодов не возникает ожог растений, что позволяет устанавливать их на высоте 10-15 см от высеянных семян с возможность постепенного увеличения высоты подвеса до 25 см. Снижение потребления электроэнергии дает возможность в дальнейшем укомплектовать установку альтернативными источниками энергии: солнечными или ветряными батареями [16, 17, 18].

Выводы

• 1.    Одним из приоритетных направлений в развитии аграрной сферы является внедрение технологических процессов, повышающих скорость роста, количества и качества сельскохозяйственных культур, к одним из которых относится гидропонный способ выращивания.

• 2.    Цифровая система управления энергоэффективной облучательной установки для гидропоники должна коммутировать (включать и отключать) облучательные установки и обеспечить необходимый только для выращиваемой культуры спектр излучения, так как эти параметрами управляют продуктивность растений.

• 3.    Из проведенного анализа микроконтроллеров мы предлагаем использовать для поставленных задач микроконтроллер ATmega8L-8PU стоимостью 360-720 руб.

• 4.    Цифровая система управления энергоэффективной светодиодной облучательной установкой для гидропоники позволяют снизить затраты на потребление электроэнергии в 2,7 раз по сравнению с традиционными лампами ДНаТ, а также за счет увеличения количества ярусов у одной установки повысить высевную площадь 1,6 раз.

• 5.    При использовании светодиодов не возникает ожог растений, что позволяет устанавливать их на высоте 10-15 см от высеянных семян с возможностью постепенного увеличения высоты подвеса до 25 см, а уменьшение электропотребления дает возможность в дальнейшем укомплектовать установку альтернативными экологически чистыми источниками энергии: солнечными или ветряными батареями.